计算机三级嵌入式知识点讲解.docx

1、计算机三级嵌入式知识点讲解、嵌入式系统开发的基础知识1嵌入式系统的特点、分类、发展与应用，熟悉嵌入式系统的逻辑组成。（1）特点：专用性隐蔽性 （嵌入式系统是被包装在内部） 资源受限（要求小型化、轻型化、低功耗及低成本，因此软硬件资源受到限制） 高可靠性（任何误动作都可能会产生致命的后果） 软件固化（软件都固化在只读存储器 ROM 中，用户不能随意更改其程序功能） 实时性（2）逻辑组成硬件： 1） 处理器（运算器、控制器、存储器） 目前所有的处理器都是微处理器 中央处理器（ CPU ）和协助处理器（数 字信号处理器 DSP 、图像处理器、通信处理器）2） 存储器（随机存储器 RAM 和只读存储器

2、 ROM ）RAM 分为动态 DRAM 和静态 SRAM 两种。 DRAM 电路简单、集成 度高、功耗小、成本低，但速度稍慢慢； SRAM 电路较复杂、集成度低、 功耗较大、成本高，但工作速度很快，适合用作指令和数据的高速缓冲 存储器RAM 当关机或断电时，其中的信息都会消失，属于易失性存储器ROM 属于不易失性存储器。分为电可擦可编程只读存储器（存放 固件）和闪速存储器（ Flash ROM 简称内存）。内存的工作原理：在低 压下，存储的信息可读但不可写，这类似于 ROM ；在较高的电压下，所存储的信息可以更改和删除，这有类似于 RAM 。3）I/O 设备与 I/O 接口4）数据总线软件（3

3、）分类按嵌入式系统的软硬件技术复杂程度进行分类：1）低端系统 采用 4 位或 8位单片机，在工控领域和白色家电领域占主导地位，如计算器、遥控器、充电器、空调、传真机、 BP 机等。2） 中端系统 采用 8 位/16 位/32 位单片机，主要用于普通手机、摄像机、录像机、电子游戏机等。3）高端系统采用 32 位 /64 位单片机，主要用于智能手机、调制解调器、掌上计算机、路由器、数码相机等。（4）发展20 世纪 60 年代初，第一个工人的现代嵌入式系统（阿波罗导航计算机）20 世纪 60 年代中期，嵌入式计算机批量生产20 世纪 70 年代，微处理器出现20 世纪 80 年代中期， 外围电路的元

4、器件被集成到处理器芯片中， 昂贵的模拟电路元件能被数字电路替代20 世纪 90 年代中期 SOC 出现，集成电路进入超深亚微米乃至纳米加工时代2嵌入式系统的组成与微电子技术（集成电路、 EDA 、 SoC、 IP 核等技术的作用和发展）（ 1）集成电路 IC集成电路的制造大约需要几百道工序， 工艺复杂。 集成电路是在硅衬底上制作而成的。硅衬底是将单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成的像镜面一样光滑的圆形薄片，它的厚度不足 1mm其直径可以是6、8、12英寸甚至更大这种硅片称为 硅抛光片，用于集成电路的制造。制造集成电路的工艺技术称为硅平面工艺， 包括氧化、 光刻、掺杂等多项工序。 把这些工序反复交

5、叉使用，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电 路。集成电路的特点：体积小、重量轻、可靠性高。其工作速度主要取决于逻辑门 电路的晶体管的尺寸。尺寸越小，工作频率就越高，门电路的开关速度就越快。（ 2）EDA （电子信号自动化）（3）SoC 芯片（片上系统）既包含数字电路， 也可以包含模拟电路， 还可以包含数模混合电路和射频电路。SoC芯片可以是一个 CPU单核SoC也可以由多个 CPU和/或DSP即多核SoG 开发流程：（1） 总体设计 可以米用系统设计语言 System C （或称IEEE 1666,它是C+ 的扩充）或System Vetilog 语言对SoC芯片的软硬件作统一的描

6、述，按照系统需 求说明书确定SoC的性能能参数，并据此进行系统全局的设计。（2） 逻辑设计 将总体设计的结果用 RTL （寄存器传输级描述语言）语言进行描述（源文件）后，在使用逻辑综合将源文件进行综合生成，生成最简的布尔表达 式核心好的连接关系（以类型为 EDF的EDA工业标准文件表示）（ 3）综合和仿真（ 4）芯片制造 借助 EDA 中的布局布线工具（ 4） IP 核IC 设计文件：逻辑门级，包括各种基本的门电路；寄存器传输级，如寄存器、 译码器、数据转换器；行为级，如 CPU DSP存储器、总线与接口电路等。核库中的设计文件均属于知识产权 IP 保护的范畴，所以称为“知识产权核” 或“ I

7、P 核”。IP核是开发SoC的重要保证。按IC设计文件的类型，IP通常分为：软核、固 核、硬核。IP核的复用可以减少研发成本，缩短研发时间，是实现 SoC的快速设计，尽早投放市场的有效途径。目前主要的 CPU内核有 ARM MIPS PowerPC Coldfile 、x86、8051 等。ARM 内核占所有32位嵌入式RISC处理器的90鳩上。3嵌入式系统与数字媒体（文本、图像和音频 /视频等数字媒体的表示与处理）（ 1）文本含义：在计算机中的文字信息，最常用的一种数字媒体。 字符集及其编码1 ）西方字符的编码ASCII 字符集和 ASCII 编码，基本的 ASCII 字符集共 128 个字

8、符，每个字符使用 7 个二进位制进行编码。2）汉字的编码汉子国家编码标准有 GB2312 和 GB18030 。每个汉字用 2 个字节表示。 GB2312 只有 6763个汉字， 经常不够用。 GB18030 字符集与 UCS/Unicode 字 符集基本兼容，采用不等长的编码方法，单字节编码表示 ASCII 字符，与 ASCII 码兼容；双字节表示汉字，与 GB2312 保持向下兼容（即 GB2312 中 有的 GB18030 字符集都有）3）UCS/Unicode 编码文本类型1）简单文本只能顺序阅读。2）丰富格式文本 有插图、对文字颜色等定义，调整页面，文本布局，插入声音视频等。3）超文

9、本 通过超链接实现跳转、导航、回溯等操作（2）图像 图像获取过程的核心是模拟信号的数字化，处理步骤为：1）扫描 将画面网格化，每个网格为一个取样点2）分色 将每个取样点的颜色分解成三原色3）取样 测量每个取样点的每个分量（基色）亮度值4）量化 把模拟量使用数字量来表示， A/D 转换 数字图像的主要参数：图像大小 （ 水平分辨率 *竖直分辨率 ） 、位平面数目、像素深 度、颜色模型一幅图像的数据量计算公式：图像数据量 =图像大小 * 像素深度 /8（ 3）音频 /视频音频/ 视频信息的数字化，处理步骤为：1）取样2）量化3）编码 数字音频的主要参数：取样频率、量化位数、声道数目、使用的压缩编码

10、方法、比特 率（每秒钟的数据量）压缩前 波形声音的码率 （比特率） = 取样频率 * 量化为数 * 声道数（单位 b/s ） 压缩后 码率 = 压缩前码率 / 压缩倍数（压缩比）4嵌入式系统与网络通信技术（数字通信与计算机网络， TCP/IP 协议，互联网接入技术 等）（1）数字通信（2）计算机网络（3）音频 / TCP/IP 协议(4)互联网接入技术二、嵌入式处理器1 嵌入式处理器的结构、特点与分类(不同类型的典型嵌入式处理器及其特点，嵌入式处 理器分类等)(1)不同内核嵌入式微控制器性能比较、性能 内核51内核其他8位内核16位内核其他32位内核ARMCortex-M 内核处理速度差差一般

11、好好低能耗好好好差好代码密度差差一般差好内存64KB差差差好好向量中断好好好一般好低中段延时好好好差好低成本好好好差好多供资源好差差差好编译器选择好一般一般一般好软件可移植性好一般一般一般好(2)冯-诺依曼结构和哈佛结构的区别两者连接CPU程序存储器和数据存储器的方式不同冯-诺依曼结构 Icpu H一* 程序/数据存储器哈佛结构(3)分类按指令集分为：复杂指令集结构 CISC和精简指令集结构 RISC按存储机制分为：冯-诺依曼结构和哈佛结构按字长分为：8位、16位、32位、64位结构按不同内核系列可以分为： 51、AVR PIC、MSP430 PowerPC Coldfile 、ARM(4)不

12、同典型内核简介内核系列推出公司内核结构简单描述51IntelCISC哈佛结构8位字长，常用于简单的检测与控制应用领域， 最早被称为单片机。其价格低，应用资料齐全，开发工具便宜，开发周期短，成本低，因此被广泛应用到各个行业。 随着1T改进型51内核的推出，力吐许多器件厂家增加了自己的特色组件， 51系列还在使用。AVRAtmelRISC哈佛结构8位、16位和32位三类字长的微控制器内核，以适应不同应用层 次的要求。主要特点是高性能、高速度、低功耗。PICMicrochipRISC8位、16位和32位三类字长的微控制器内核，以适应不同应用层哈佛结构次的要求。主要用于工业控制，主要优势是针对性强，特

13、别是抗干扰能力强。MSP430TIRISC16位字长的微控制器区内核，广泛应用于手持设备嵌入式应用系统冯-结构中，突出特点就是以超低功耗著称全球。MIPSMIPSRISC高性能高档次 32位和64位处理器内核。主要特点是适应于高速、哈佛结构大数据吞吐量应用场合PowerPCApple ,RISC高性能高档次含有 32位子集的64位处理器内核。具有优异的性能、IBM,Motorola哈佛结构较低的能耗以及较低的散热量。MC68KMotorolaRISC32位字长的处理器内核，具有超标量的超级指令流水线， 性能优异哈佛结构明显，主要用于与高端嵌入式应用领域。ColdfileFrescaleRISC

14、32位字长的高性能处理器内核， 性能优越，集成度高，可用于工业哈佛结构应用领域、消费电子领域、医疗电子领域、测试与测量领域等。ARMARMRISC32位字长的高性能处理器内核，目前嵌入式处理器的领跑者多数为哈佛结构2. ARM处理器内核的体系结构（工作状态，工作模式，寄存器组织，异常，数据类型与 存储格式等）（1）工作状态一是ARM状态，二是Thumb指令状态及Thumb-2状态，三是调试状态。ARM处理器复位后开始执行代码时总是只处于 ARM犬态，如果需要，可通过下面的方法切换到Thumb状态或Thumb-2状态ARM犬态切换到Thumb指令状态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为

15、1即可。如果 R00=1 ,则执行BX R0指令将进入 Thumb状态状Thumb态切换到ARM犬态：通过BX指令，将操作数寄存器的最低位设置为 0即可。如果R00=0，则执行BX R0指令将进入 ARM犬态。（2） 工作模式（7种）工作模式功能说明可访问的寄存器CPSRM4:M0用户模User程序正常执行工作模式PC,R14-R0,CPSR10000快速中断模式FIQ处理高速中断，用于高速数据传输或通道处理PC,R14_fiq-R8_fiq,R7-R0,CPSR,SPSR_fiq10001夕卜部中断模式IRQ用于普通中断处理PC,R14_irq-R13_irq,R12-R0,CPSR,SPS

16、R_irq10010管理模式操作系统的保护模式，处理软中PC,R14 svc-R13 svc,10011SVC断SWIR12-R0,CPSR,SPSR_svc中止模式ABT处理存储器故障，实现虚拟存储 器和存储器保护PC,R14_abt-R13_abt,R12-R0,CPSR,SPSR_abt10111未疋乂扌曰令模式UND处理为定义的指令陷阱，用于支 持硬件协处理器仿真PC,R14_u nd-R13_u nd,R12-R0,CPSR,SPSR_u nd11011系统模SYS运行特权及的操作系统任务PC, R14-R0,CPSR11111(3)寄存器组织ARM处理器共有37种寄存器，包括 31

17、个通用寄存器(含 PC和6个状态寄存器。 无论何种模式，R15均作为PC使用；CPSR为当前程序状态寄存器； R7-R0为公用的通 用寄存器。所有通用寄存器均为 32位结构。程序状态寄存器的格式：31 30 29 28 27 26 8 7 6 5 4 3 2 1 0NZCVQ状态保留IFTM4M3M2M1M0条件码标志含义如下：N为符号标志位，N=1为负数，N=0为正数。Z为全0标志位，运算结果为 0,则Z=1，否则Z=0;C为进借位标志，有进/借位时C=1，否则C=0.V为溢出标志，加减法运算结果溢出时 V=1，否则V=0.Q为增强的DSP运算指令溢出标志，溢出时 Q=1,否则Q=0.控制位

18、含义如下：I为中断禁止控制位，1=1禁止IRQ中断，1=0，允许中断。F为禁止快速中断 FIQ的控制位，F=1禁止FIQ中断，F=0允许。T为ARM和Thumb指令切换，T=1时执行Thumb指令，否则执行 ARM指令。M4-M 0为模式选择位(4)存储格式大端模式：32位数据字的高字节存储在低地址，而数据字的低字节则存放在高地 址中。小端模式：32位数据字的高字节存储在高地址，而数据字的低字节则存放在低地 址中。系统复位时，自动默认为小端模式。例如：一个32位数据字0x12345678 ,存放在起始地址为 0x30001000 ,则大端模式 下 0x30001000 单元存放 0x12,0x

19、30001001 单元存放 0x34 , 0x30001002 单元存放 0x56 , 0x30001003单元存放 0x78;而小端模式下 0x30001000单元存放 0x78,0x30001001单元 存放 0x56, 0x30001002 单元存放 0x34 , 0x30001003 单元存放 0x12。(5)数据类型8位、16位、32位三种数据类型(6)ARM 处理器中 MMU 和MPUMMI存储器管理单元(memory management unit )功能：1)虚拟地址到物理地址映射2)存储器访问权限受限3)虚拟存储空间的缓冲特性设置MPU存 储器保护单元(memory prot

20、ect un it )(7)异常(7种)异常类型优先级工作模式异常向量地址复位RESET1管理模式0x00000000未定义的指令 UND6未定义指令中止模式0x00000004软件中断SWI6管理模式0x00000008指令预取中止 PABT5中止模式0x0000000C数据访问中止 DABT2中止模式0x00000008外部中断请求IRQ4外部中断模式0x00000010快速中断请求FIQ3快速中断模式0x0000001C3.典型 ARM 处理器内核(ARM9 , Cortex-A , Cortex-M , Cortex-R等的技术特点与应用领域)(1) Cortex-A系列是面向高端嵌入

21、式应用的处理器核： 具有MMU、Cache、最快频率、 最高性能、合理功耗。(2) Cortex-R系列是面向实时控制的处理器：具有 MPU、Cache实时响应、合理性 能、较低功耗。(3) Cortex-M系列是面向低端微控制器的处理器，没有 MMU但有MPU，极高性价比、最低成本，极低功耗。系列相应内核主要性能特点ARM7冯-诺依曼结构，3级流水线，无MMU经典ARM9ARM920T/ARM922T哈佛结构，5及流水线，单32位AMBA接口ARM9EARM926EJ-S/ARM946E-S/ARM966E-S/ARM968E-S/ARM996HS哈佛结构，5及流水线，支持DSP指令，软核(

22、softIP)ARM10ARM1020E/ARM1022E/ARM1026EJ-S哈佛结构，6及流水线，分支预测，支持 DSP指 令，高性能浮点操作，双64位总线接口，内部64 位数据通路。ARM11ARM11MPCore/ARM1136J(F)-S哈佛结构，8级流水线，分支预测和返回栈，支持DSP指令、SIMD/Thumb-2核心技术ARM1156T2(F)-S/ARM1176JZ(F)-S哈佛结构，9级流水线，分支预测和返回栈，支持DSP指令、SIMD/Thumb-2核心技术嵌入Cortex-MCortex-M0, Cortex-M0+冯-诺依曼结构，3级流水线，支持Thumb指令集 并包

23、含Thumb-2、嵌套向量中断， M0+内部有MPU，而 M0 没有。Cortex-M1冯-诺依曼结构，3级流水线，支持FPGA设计，Thumb指令集并包含Thumb-2Cortex-M3哈佛结构，3级流水线，Thumb-2、嵌套向量中断，分支指令预测，内置 MPUCortex-M4哈佛结构，3级流水线，Thumb-2、嵌套向量中断，分支指令预测，内置 MPU，高效信号处理，SIMD指令，饱和运算，FPUCortex-RCortex-R4/R4F/ Cortex-R5/Cortex-R7哈佛结构，8级流水线，实时应用，支持 ARM、Thumb禾口 Thumb-2指令集，F标示内置FPU, DS

24、P扩展，分支预测，超标量执行，内置 MPUCortex-A5/ Cortex-A5MPcore应用Cortex-A7/ Cortex-A7MPcoreCortex-A8/ Cortex-A8MPcoreCortex-ACortex-A9 / Cortex-A9MPcore哈佛结构，MPcore为多核，超标量结构，13级流 水线，动态分支指令预测，有分支目标缓冲器BTB、MMU、FPU、L1、L2，支持 ARM、Thumb 和 Thumb/EE 指令集,SIMD/Jazelle RCT 技术。Cortex-A15 / Cortex-A15MPcore哈佛结构，可乱序执行指令流水线4. ARM处理

25、器指令系统及汇编语言程序设计（指令格式，寻址方式，指令集，伪指令, 语句格式与程序结构，ARM汇编语言与C的混合编程等）（1）指令格式指令一般格式S , 其中 不可省指令格式说明：项目含义备注指令的操作码即助记符，如 MOV ADD B等cond条件域，满足条件才执行指令可不加条件即可省略条件，如 EQ NE等S指令执行时是否需要更新 CPSR可省略Rd目的寄存器Rd可为任意通用寄存器Rn第一个源操作数Rd可为任意通用寄存器，可以与 Rd相同Op2第二个源操作数可为#imm8m寄存器Rm及任意移位寄存器关于#imm8m的说明：#表示立即数，其后可以是十进制或十六进制数对于ARM指令集，#imm

26、8m表示一个由8位立即数经循环右移任意偶数位次形成的32位操作数。对于Thumb指令集，#imm8m表示一个由8位立即数经左移任意位次形成的 32位操作数。指令的条件码条件码助记符标 志含 义0000EQZ置位相等0001NEZ清零不相等0010CSC置位无符号数大于或等于0011CCC清零无符号数小于0100MIN置位负数0101PLN清零正数或零0110VSV置位溢岀0111VCV清零未溢出1000HIC置位Z清零无符号数大于1001LSC清零Z置位带符号数小于或等于1010GEN等于V带符号数大于或等于1011LTN不等于V带符号数小于1100GTZ清零且N等于V带符号数大于1101LE

27、Z置位或N不等于V带符号数小于或等于1110AL忽略无条件执行（2）寻址方式1）立即寻址（立即数寻址）例如：MOV R0 #0x1212121212ADC R0 R0, #100 ;R0 +100+C2） 寄存器寻址（执行效率较高）例如：ADD RQ R1，R2 ;R0 R1+R23） 寄存器间接寻址寄存器间接转址就是以寄存器中的值作为操作数地址， 而操作数本身存放在存储器中。用间接寻址的寄存器必须用 括起来。例如：LDR R5, R4 ；R5 4,间接寻址的寄存器是 R44）基址加变址寻址常见的几种形式：LDR R0, R1，#4STR R1，R2，#8LDR R0， R1 ，#4! （ ！

28、表示指令在完成数据传输后更新基址存储器 ） LDR R0， R1 ，#4LDR R0, R1, R2STR R0, R1, R25）相对寻址相对寻址以程序计数器 PC的当前值为基地址，指令中的地址标号作为偏移量，将两者相加后得到操作数的有效地址。下列程序中跳转指令 BL利用相对寻址方式：BL Subroutine_A ; 跳转子程序 Subroutine_A 处执行Subroutine_A ：MOV PC ,LR ; 从子程序返回6） 堆栈寻址7） 块拷贝寻址（3）（4）（5）（6）三、嵌入式系统硬件组成1嵌入式硬件组成与嵌入式处理芯片（组成，特点，类型， ARM 的 AMBA 总线，嵌入式处理芯片的选型）（1）基于 ARM 内核的典型嵌入式应用系统硬件组成 典型嵌入式系统硬件由嵌入式最小硬件系统 （电源电路、 时钟（晶振） 电路、复位电路、JTAG测试接口）、前向通道（输入接口）、后向通道（输出接口）、人机交互通道（键盘， 触摸屏以及LED或LCD显示输出接口）以及相互互联通信通道（ CAN通信接口、以太网通信接口、USB通信接口）等组成。电源电路 为整个嵌入式系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的位置。 一般来说 ，如果电源电路处理得好，整个系统的故障往往能显著减少。选择设计电源电路